小型工作機CNC2418 その66（赤外線レーザーダイオードとの格闘：後編）

長～い前編に続き、またもや長～い
「赤外線レーザーダイオードとの格闘：後編」であります^^;

さて、前編の最後、10月3日にコアドリルをポチったわけですが、

届くまでに、もう少し見ておきたいので
焦点テスト用の台座を3Dプリンタで作ることにします。
Fusion360でモデルを描きます。
大きい円柱がレーザーマウント、小さい円柱がレンズのつもりです。

これを３Dプリンタで

プリントしました。
なぜかＺレベルがズレてたので下層レイヤーがグニャグニャ(-_-;)
まあ支障はないので、このまま使うことにします。

レンズとレーザーマウントを乗せます。

ある程度スポットは小さくなる（1～2mmかな？）のですが
まだ大きいので、パワーを上げても紙すら焦げません(T_T)

レーザー光は、全く見えなくなる高価なゴーグル付けているので
モニターデジカメで見ています。

10月23日、コアドリルが届きました。
20mm US$ 5.64／2個
21mm US$ 5.92／2個
の2本組 2種類です。

AliExpress.com Product - 2Pcs 20-40 mm Diamond Hole Saw Coated Core Drill Bit Masonry Drilling Cutter for Glass Marble Tile Granite Gemstone Tools

これでアルミのハウジングの穴を広げるのです。
穴の中に少し見える段差を削ってしまおうというわけです。

約50mmも掘り下げないといけません。

小屋からボール盤を出してきて、庭先で作業します。
何とか垂直に掘れるでしょう。

穴を広げるだけなので、このコアドリルでいいだろうと思っていたのですが
切削粉が目地に詰まって、すぐに切れなくなるので、一向に進みません。

えいっ！ここまできたらとことんやります。
今度は、これをポチります。
上のコアドリルの径が、0.5mm大きめだったので
・20.0mm US$ 5.27
・20.5mm US$ 5.33
の2種類。1個ずつで上のやつの約2倍の価格。

AliExpress.com Product - 1 pc Carbide Tip TCT Drill Bit Hole Saw 15-100mm Drill Bit Set Hole Saw Cutter For Stainless Steel Metal Alloy Drilling

11月18日、やっと届いたので作業再開です。
少しだけ掘り下げましたが、切れ味が今一つだし、深さが足りません。

当然、想定範囲内でありまして、
実は、これもポチっておりました^^;
軸がネジ式で分離可能になっているようで延長できそうなのです。
でも刃がえらく鋭角なのでアルミ切削は、大丈夫かな～
20mm US$ 2.87

AliExpress.com Product - High - Quality HSS High - Speed Steel Perforator Drill Bit Iron Plate Hole Stainless Steel Hole Plate Metal Plate Reaming

刃が鋭角なのでゆっくり下げていくと、思ったよりうまく削れます。
時は、11月18日 11:37 本腰を入れて切削開始です！

途中まで掘った所で、
このコンクリート用アンカーボルトを使います。
右側はM10になっています。

コアドリルの軸を外して、上のアンカーボルトにダブルナット付けて

交換して延長しました！

掘る深さに白テープ巻いて（白テープの左端まで）
更に掘り続けます。

この写真が、同日、16:06
５時間も作業していたことになります。
とても大変でした(´-﹏-`；)

左のは、最後の切り屑ですが、キレイな円になっていることが
ほぼほぼ垂直に掘れたことを物語っています。

さて、肝心のレーザーマウントを入れてみると、途中で引っかかります。
あと少し、穴を広げないといけないようです。
で、最初に買った、このコアドリルの登場です。

中央の穴にM4ボルトを付けて

軸を延長して、

普通のドリルに装着して手作業でいきます。
ブレを利用してドリル径以上に広げようという作戦です。

11月19日、穴広げ加工が完了！
レーザーマウントをレンズ側のすぐそこまで挿入することができました！
これより手前は、レンズ用のM19/P0.75のネジ山になっています。
最終的には、熱伝導シリコングリスを塗る必要があるのですが、
今は止めときます。

レーザーマウントを固定するイモネジ用のネジ穴を作ります。
M3のネジ穴にするので、下穴をΦ2.5のドリルで開けて

M3タップを立てます。

レーザーマウントを挿入してイモネジで固定します。

レンズ側の端からレーザーマウントまでの深さを

ノギスで測ります。

22mmです。

レンズ先端から22mmの所に白テープで印をつけます。

これでレンズ先端とレーザーダイオードの距離がほぼゼロです。

レンズ側から

後ろ側から
浅く見えますが、マウントのお尻までは、深さ、35mmです

ファンを付けます。
11月20日、ひとまず完成です！

途中、3Dプリンタやら他の事をやって．．．
11月29日、照射実験の再開です。
最初のコアドリルをポチってから約2ヶ月ぶりです。
CNC2418に取り付けて

S20（Duty 2%、≒30mW）でON！
ビームスポットが、かなり小さくなりました！
もはやカメラ越しでは、フォーカス合わせ困難です。
下は、黒の画用紙なので、反射してもレーザーポインター程度でしょう。
赤く見えるので裸眼でフォーカスを合わせます。
レンズを1～2mm引き出す方に回した所で、フォーカスが合いました！
が、横長ですね～(´-﹏-`；)

一旦、デジカメで撮影画像を拡大して確認します。
楕円ではない筋状なのです。
いくら非点収差があるといっても極端すぎるような気がします。
長手方向は、1.5mm弱
長焦点レンズでは、キレイな円形だったのに、なぜ？

前から見ると、光軸が大きく左に寄っています。

横から見ると、光軸は、あまり傾いていません。

この状態で
CandleからマウスクリックでカチカチッとON/OFFして、
S500（≒1W）で黒画用紙に照射、0.2～0.3secかな？
おっ！穴が開きました。

続いて、CDケースの黒（1.1mm厚）

S500（≒1W）0.5sec程（右側）では、貫通しませんが、
1sec程（左側）で貫通しました！
使えそうな感じになってきました。ワクワク

続いて
CDケースの透明（1.1mm厚）へS500（≒1W）で2sec程照射！

貫通はしません。
というか、板と接触している側だけが溶けて、照射面は、まだツルツルなのです。
裏側だけ溶けているということは、板側の熱で溶けただけのようです。

レーザーマウントかな～？
レーザーマウントを留めているイモネジを緩めて、ファンを外します。
マウントのガタは、ほぼ無く、こんなに光軸が傾くほどではありません。

レーザーマウントを回転させるとビームの形は変わらず回ります。
ビームの縦筋が一緒に回るのです。
もし2aの様にハウジングのマウント穴が傾いていると
マウントを180°回転させても光軸の傾きは同じで2bの様になります。
1aの様にマウントに対してLDが傾いていると
マウントを180°回転させると1bの様に光軸の傾きは反対側に移動します。
つまりマーティーの症状は、1a-1b ということになります。
（執筆中に改めて考えるに
　LD発射中心がマウント中心とズレてると思えてきました）

写真上で傾きを測ってみます。
カメラのレンズ歪などの影響もあるので測定というほどではないですが
レーザーダイオードの発振位置からだと単純には約6°傾いています。

元々この形状でビームがでているのだろうか？
最初の方で撮った拡大写真を見直すと
中央の板状のが傾いているように見えないことはないです。
よくわかりませんね～

そういえば、横から見た時も１°程傾斜しています。
が、スポットは小さいのです。
これは、非点収差ではなく、発振自体が横長ということではないだろうか？
マーティーが購入した「Laserland Laser Tool Store」のサイトは
存在するようですが、なぜか開かなくなっています(´-﹏-`；)
SpecOUT品だったのだろうか？

もう一度、このレーザーダイオードのらしいスペック（PDF）を見ると
赤枠の所、//と⊥でこんなにもビームの広がりが違うのです。
これも非点収差なのだろうか？違うような気もします。
補正するには、アナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズが必要ですが
とても高価なので手が出ないし

となると、できる限り短い距離で合焦させてみるしかないようです。

ということで、12月3日、
次の日誌の「MO（光磁気ディスクドライブ）の分解」で発掘した
光学系パーツの出番となるわけであります^^;

まずは、プリズムで遊んでみます。
右側の45°部分に斜めから入射すると黄色線の様に屈折して（いると思う）
幅が変化しないか見てみます。

プリズムで屈折した時

プリズムを通さないダイレクト光
上の方が微妙に短い気もしますが、気のせい程度。
まあ、最初から期待はしていませんでしたが
アナモルフィック・プリズム・モドキをちょっとやってみたかったのです。

本当のアナモルフィック・プリズムは、
この様に30°のプリズムの組合せで楕円ビームを円形に補正するものです。
ここに、Magnification 4.0（縦横比4倍）のが売ってますが、
レンズだけで2万円！ 鏡筒付きだと5万円近くにも！

シリンドリカルレンズは、こんなのです。
レーザープリンターを分解すると発掘できる可能性大ですが．．．

出所：Pioneer

さて、本命はこちらです。
MOドライブのレーザーダイオードブロックに付いていた、大きなレンズ！
赤レーザーのハズなので、レンズが800nm辺りにも使えると思われます。

そのコリメータレンズとレーザーダイオードを分離して

3Dプリンタで作った実験用レンズ台でテスト！
お～っ！これは、いい具合にフォーカスが合うようです。
レンズは、本来、この向きです。

逆向きで合焦させると、この位置になります。

この左の余っているM9/P0.5のレンズホルダーを使うことにします。

ここまでは分離できるのです。
レンズは、複数のようでアルミの薄い鏡筒がついています。

M9/P0.5レンズホルダーの内側のネジリングを緩めるのに
丁度いいドライバーがないので
MOドライブの残骸の鉄板で幅広のマイナスドライバーを作りました。

その即席ドライバーでネジリングを外して
中身を取り出し、ホルダーだけ（左端）にします。

スッポリ入らなかったので、何とか少しだけねじ込みました。

それを先端の鏡筒に

ねじ込みました。

この状態で

白テープ側を対物側にしてフォーカスしてみましたが、うまくいきません。
レンズから対物の距離が長過ぎるようなのです。

もう一度、外に出して、位置関係を調べます。
レンズを反対向きにした方がいいようです。
コーティングとかが気にはなりますが、
この距離にしてフォーカスを合わせていると
おっ！黒画用紙が焦げ始め煙が上がりました！
まだ、S20の30mW程なのです。
いい感じになってきました！
半分諦めていたのが、またワクワクの復活です！

位置関係は、こんな感じ。
先端から対物まで10mm弱です。
ちょっと近すぎるので、鏡筒（一番下）を逆にすれば、解決できそうです。

こちら側を対物側にするのです。
レンズを入れて

M9/P0.5の鏡筒をねじ込んで、レンズを奥まで入れて固定します。

こちらがレーザー側です。

ハウジングに装着！

S20（30mW）で黒画用紙に近づけていくると
お～っ！煙が！成功です！
この感動を動画で！

さて、ようやくできた赤外線レーザーとBlueレーザーを比較しますが、
先にGCodeのS値（Dutyは、S値の1/10）に対するパワーを出しておきます。
Blueレーザー5.5WのPWM Duty（S値の1/10）とInput Powerの関係は、
この時に測定しています。
レーザーパワーを直接測定したわけではなく、電流と電圧を測定して
Duty 100%時のレーザーパワーを5.5Wとしたグラフです。
Blueレーザーの方は、
　S50：0.28W
　S200：1.1W
　S500：2.8W
　S1000：5.5W

赤外線レーザーの方は、
先に測定したグラフは、測定ミスがありそうなので(-_-;)
ひとまず、S値に比例として計算することにします。
Io：3.2A、Vf：2.0Vでレーザーパワー：3Wのレーザーダイオードなので
Duty 100%で1.8Aでは、レーザーパワー：1.7Wと算出して、
　S20：34mW
　S50：85mW
　S200：0.34W
　S500：0.85W
　S1000：1.7W
ってことになっているハズです。

CNC2418付属のレーザードライブボード、この時からTTLドライブにしています。
Blueレーザー 5.5W用に設定されているものをそのまま使うと、
Blue（5.5W 450nm）に対してIR（3W 808nm）は、
同じS値で≒１／３のパワーということになります。
今回の実験は全て$32=0のNormal Mode（Laser Mode OFF）です。

では、実射テストに行きます。

IRレーザーは、焦点距離を短くしたので、木材を台にして、

まずは、黒画用紙で
S50（85mW） F100

対物との距離は、約10mmです。

黒画用紙で10mmの円カットです。
S50（85mW） F100
これも動画で

直径10mmの円です。
パワーが低い状態なので、フォーカス調整が微妙です。
ちょっと紙が0.3mm程浮いても貫通しなくなります。
でもS50（85mW） F100で切れたのは意外でした。

白紙（普通のコピー紙）S50（85mW） F100
変色すらしません。
S100（0.17W）F100でも全く変化なしで
S120（0.20W）F100でやっと切れました。
S200（0.34W） F300では、ピカッピカッと数回光りますが変色もなし。
白紙では、赤外線（近赤外線）は、反射するんですね。

元々、赤外線だったら透明のプラ板が切れないかな～
という期待でこの検討を始めたのでした。
透明CDケース（1.1mm厚）です。

S200（0.34W） F300
あまり良く見えませんが、動画で！

CDケースを左にズラすと、右側に下の板が焦げた跡がでてきました。

焦げた透明CDケースをキーボードの上に置いています。
透明CDケースは、板と接している裏側だけが窪んでいます。
808nmでは、透明プラは、通過するんですね～
木材が焦げる時の熱で、プラが溶けているだけで、表側は、ツンツルリン(´-﹏-`；)
見事に期待を裏切られました(T_T)
同じS200 F300では、白紙は変色すらしないのです。

S200（0.34W） F300でCDケースの黒（1.1mm厚）
貫通には至りません。

同じくCDケースの黒で
中段が、S500（0.85W） F300、貫通はしていません。
煙がすごくてレンズに付着しそうなので、口で吹き飛ばしながら．．．
上段は、S1000（1.7W） F300
部分的に貫通していますが、周辺の溶けがひどいです。

S1000（1.7W） F300での裏側
上の写真を上下方向に裏返しています。

ならば、S1000（1.7W） F200で！
右下のです。

裏側、下がS1000（1.7W） F200
上のは、S1000（1.7W） F300

S1000（1.7W） F200でベニヤ板。
ビーム系がやや太いようです。
深さ0.3mm位のようです。

次は、CNC2418と一緒に購入したBlueレーザーで

S50 F100 黒画用紙
青丸：Blueレーザー（0.28W）
赤丸：IRレーザー（0.085W）
Blue Laserが若干薄いですが、同等の切れ具合です。
黒に対しては、赤外線の方が3倍吸収がいいということになるのでしょう？
黒い服の方が遠赤外線で暖まりますからね～^^;

白紙は、S200（1.1W） F300でもいい感じで切れています。
IRレーザーでは、同じ条件でびくともしませんでした。
白い物に対しては、Blue方が吸収が良いのですね。
黒いものへは、波長の短いBlueは、吸収が悪い。
紫外線を防ぐには黒い傘がいい．．．そういうことを実感できたのかな^^;

S200（1.1W） F300で透明CDケース（1.1mm厚）
溶け方は、IRレーザーと同じくらい
左は、下に敷いていた木材
右が透明CDケースで木材との接触面だけが溶けています。
青丸がBlueレーザー、赤丸がIRレーザー
木の方は、Blueの方がビーム系が小さいです。

で、CDケースの黒
左から
　S500（2.8W） F300
　S1000（5.5W） F300
　S1000（5.5W） F200
Blueの方が周辺が溶けてなくて切れ味よさそうです。

裏側
左から
　S1000（5.5W） F200
　S1000（5.5W） F300
　S500（2.8W） F300
Laser Mode OFFなので
赤矢印の開始・終了点だけ貫通しています。

ひとまず、長かった赤外線レーザーダイオードの実験は終わりです。

自作は成功したけど、808nm辺りの赤外線では、
白は反射しやすいし、透明プラは切れない、
ということがわかり、Blueに対する優位性なしという悲しい結末です(T_T)
そもそも透明プラが切れるなら、ガラスレンズ使えないでしょう！
と今更思ったりします。

ちなみに、こんなレーザーダイオードも見つかっております(-_-;)
5W 976～980nm C-mount Laser Diode with FAC
US$ 169.98

AliExpress.com Product - C-mount Package High Power 5000mW 5W 976nm 980nm Infrared IR Laser Diode LD FAC

そして何と！、ここでCO2レーザーの波長のレーザーダイオードを発見！

2W 1064nm Laser Diode C-mount
US$ 379！
もはやレンズは「ジンクセレン（ZnSe）」必須でしょう。
＊＊＊2018.12.9修正＊＊＊
1桁勘違ってました(-_-;)
1064nm＝1.064μmですね
CO2は、10.6μm＝10600nmなので大きな勘違いでした～
HKさんご指摘ありがとうございますm(_ _)m
道理でCO2レーザー用のゴーグルが808nmに効かなかったわけです。
＊＊＊＊＊＊

その価格なら$100追加でこの辺の40W CO2レーザーマシンが来ますね～
透明アクリルをカットしたいなら、迷わず、CO2レーザーにしよう！
という結論になるわけであります^^;

まあ、人柱として貢献でもできれば苦労の甲斐があるのですが．．．